[논문]플렉서블 CIGS 박막태양전지를 이용한 BIPV 연구개발 동향

정채환

플렉서블 CIGS 박막태양전지를 이용한 BIPV 연구개발 동향 원문보기

전기의 세계 = The proceedings of KIEE, v.66 no.3, 2017년, pp.26 - 37

정채환 (한국생산기술연구원)

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문제 정의

중량적인 측면에서 Stainless Steel 기판을 이용한 CIGS 박막태양전지가 더 무겁지만, 높은 공정온도 부여를 통해 유연성을 유지하면서 고효율화를 이룰 수 있는 최적의 플렉서블 기판으로 판단된다. 또한, 비싼 폴리이미드 기판대신, 유리기판위에 고효율 태양전지를 형성한 후에 기판과 태양전지를 분리하여, 싼 폴리머 기판 (PET, PEN 계열)에 전사시킴으로써 가격 경쟁력을 확보하기 위한 노력을 진행 중이다.
본 논문에서는 BIPV에 적용가능한 CIGS 박막태양전지의 국내외 연구동향 및 진행방향에 대하여 분석하였고, 성공적인 제품/상품 개발을 위해 필요한 고려사항에 대하여 논의하고 있다.

성능/효과

유리기판에 포함되어있는 Na과 K은 CIGS태양전지의 Voc와 FF를 향상시켜 효율을 증가시키는 역할을 하지만 stainlesssteel 기판에는 이러한 Na과 K이 없어 별도의 도핑공정이 필요하다. SLG의 Na은 광흡수층이 성장되는 고온공정 중 광흡수층으로 확산되며, 그 결과 전기적, 구조적 특성을 향상시켜 변환효율이 증가하지만 광흡수층으로 균일하게 분포하기가 어렵고 불균일한 소자 특성을 가질 수 있다.

후속연구

CIGS 박막태양전지의 경우, 대면적의 PV 발전소 용도에 목적을 둔 연구가 주로 수행되어오고 있으며, 분산전원의 건물연계 BIPV 모듈 연구는 부족하며 일부 기업에서 플렉서블 CIGS 박막태양전지 개발을 진행하고 있으나, 가격 및 제품 성능의 현실성 있는 제품 출시까지는 더 많은 연구가 필요하다.
고효율 CIGS 셀/모듈 개발을 위한 광학적/전기적 손실 분석 및 CIGS박막 태양전지 구조의 광흡수 및 기전력 생산 능력에 대해서 사용되는 재료와 구조에 맞는 전산모사가 필요하며, 전산 모사를 통해 CIGS 태양전지의 성능의 한계 혹은 고효율을 달성할 수 있는 개선 방안이 함께 도출되어야 한다. 결정계 태양전지에서와 같이 optical loss 분석을 통해 각 층에서의 광학적 손실을 계산하여 CIGS 흡수층에서 가장 효율적으로 흡수 할 수 있는 소자의 구조를 설계방향을 제시할 수 있다.
최근 지구의 기후·환경 변화에 주원인으로 자리매김하고 있는 온실가스류의 배출을 억제·저감하여 기후변화에 대응할 수 있는 가장 강력한 대안으로 신재생에너지가 부각되고 있으며,동시에 고부가가치 산업화로서의 선점을 위한 각 국가 간의 연구개발, 산업화 및 기후변화 대응 정책 등이 활발하게 진행되고 있다. 고효율 플렉시블 CIGS 박막태양전지는 건물의 외벽형에 최적화되는 BIPV/BAPV 상용화를 위한 핵심 기반기술로서 활용되며, BIPV 모듈 시제품과 실증결과를 바탕으로 조기상용화가 가능하며, 군사용, 레저용과 같은 휴대용 전원장치, 골프카, 전기자동차, 전동휠체어 등 다양한 운송 수단에 적용될 수 있으며, 항공기, 드론 같은 항공용으로도 그 영역이 확대될 것으로 예상된다. 또한, 양산 연계 RTR 기술, 태양전지 전산모사, 광대역 파장 흡수 극대화 기술 등은 반도체, 디스플레이와 같은 산업에도 적용이 가능하여 응용범위가 매우 넓다고 할수 있다.
플렉서블 기판에 적용할 수 있는 박막태양전지의 종류는 소재에 따라 비정질 실리콘 (a-Si:H), CopperIndium Gallium Selenide (CIGS), 유기소재, CdTe 등으로 구분되며 각기 다른 장·단점을 가지고 있는데, 그중 플렉서블 태양전지로 적합한 태양전지는 a-Si:H와 CIGS 박막 태양전지로 이미 상용화가 이뤄지고 있으나, a-Si:H 박막태양전지의 경우 효율이 낮아 현재는 모든 기업에서 양산을 중단하였으며 CIGS 태양전지만 유일하게 양산중에 있다. 또한 열적 안정성과 내방사성이 뛰어나기 때문에 건물, 자동차, 우주 등 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 예상된다. 유기태양전지의 경우 제조 단가가 가장 낮아 차세대 플렉서블 태양전지로 각광 받고 있으나 대기 중에 안정성 약화 문제와 낮은 변환 효율로 인해 상용화가 지연되고 있으며, 최근 투명한 장점을 이용하여 창호형 BIPV로 연구개발이 이뤄지고 있다.
또한, 플렉서블 CIGS 박막 태양전지 고효율화 연구를 위해서는 유리기판과 STS 기판에 따른 효율 차이 최소화 연구가 선행되어야 하는데, stainless steel기판을 이용한 태양전지의 고효율화를 위해 유리기판에서 제조된 태양전지의 고효율화가 우선되어야하며 유리기판과 stainless steel 기판간의 효율 감소원인인 기판의 특성에 따른 결함 원인을 규명하고 방지하는 방법에 대한 연구가 중요하며, 이에 전산 모사를 통해 CIGS 태양전지의 성능의 한계 혹은 고효율을 달성할 수 있는 개선 방안이 함께 도출되어야 한다.
위 문제를 극복하기 위한 여러 공정 기술이 개발 되었지만, 유리 기판 기반 CIGS 박막태양전지에 비해 그 효과가 크지 않으며, 특히, 알칼리 금속(Na,F) 도핑 기술은 플렉서블 CIGS박막태양전지 고효율화를 실현하기 위한 핵심요소로서, 기술 개발 및 메카니즘 분석에 대한연구가 반드시 필요하다. 광대역 흡수 극대화를 위한 TCO 특성 향상 연구를 위해 유리기판태양전지와 STS 기판 태양전지의 특성 차이로 인해 TCO 공정 최적화가 필요하며 각각의 전기적, 광학적 특성을 최적화할 필요가 있다.
유리기판과 stainless steel 기판간의 특성 차이에 따른 최적화 연구가 필요하며 현재 요소공정의 특성 향상 연구가 필요한데, 각 요소공정에 따라 박막의 flexibility와 접착력 특성을 측정하고 플렉서블 태양전지에 적합한 특성의 요소공정으로 개발이 중요하다. Stainless steel 기판을 사용시 500℃이상의 높은 공정 오도로 인해 기판으로부터 Fe, Cr, Ni과 같은 불순물이 CIGS흡수층으로 확산되며 이로 인해 태양전지의 효율이 감소함 따라서 이러한 불순물의 확산에 따른 특성을 확인하고 확산을 방지할 수 있는 확산 방지막 제조가 필수적이다.
플렉서블 CIGS 박막 태양전지는 glass 기판 위에 성장하는 기존 소자와는 여러모로 차이가 있어 BIPV 응용에 따라 가시광선을 어느 정도 투과하는 “반투명형” 소자 구현도 시도한다는 점에서 기존 소자와 달리 광학적 특성에 대한 고찰 측면이 중요한기술적 이슈가 되고 있다. 적정한 양의 투과도를 유지하려면, 반사율을 최소화하고 광흡수양을 극대화하는 전략이 요구되며 이러한 목적을 충족하기 위하여 사용하는 소재와 각층의 두께 등을 선정하기 위하여, 광흡수율을 미리 예측할 수 있다면 실험적 시행착오를 크게 줄일 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CIGS 태양전지 제조법에는 무엇이 있는가?	CIGS 태양전지를 제조하는 방법으로는 Evaporation및 Sputtering 방법과 같은 진공 공정 제조 방법과 전착법(Electro-deposition), 나노입자 합성과 같은 비진공 방식이 있는데, Electro-deposition, Nano-particle 합성과 같은 비진공 방식은 CIGS 태양전지 저가화에 유리하나 낮은 광변환 효율로 상용화에는 evaporation이나 sputtering 같은 진공방식이 채택되고 있다. evaporation의 경우 동시 증착법 (co-evaporation)을 이용하여 고효율의 CIGS 태양전지 셀을 제조하고 있으며 현재 ZSW의 22.
	BIPV 기술의 장점은 무엇인가?	대표적인 분산형 발전중의 하나인 BIPV 기술은 고층건물이 밀집한 한국의 도시에 적합한 기술로, 기술 도입 시 도시와 고층건물의 에너지 생산 및 에너지 자립의 효과가 매우 커 대규모의 전력을 절약할 수 있으며 도시 내 자체적인 에너지생산을 통해 발전소로부터의 대규모 송전문제도 완화할 수 있을 것으로 전망되며 이에 따라 CO2와 미세먼지를 감축할 수 있다. 분산형 BIPV기술의 도입은 발전소 증설 없이 에너지 부족문제를 해결할 수 있으며 도시 내에서 자체적으로 에너지를 생산하기 때문에 송전탑 증설이 필요 없게 되어 발전소 및 송전탑 증설로 발생하는 사회적 문제를 야기하지 않는 장점이 있으며, 세계 각국의 예시처럼 국내에서도 발전소 건립및 송전이 어려운 산간·도서 오지지역에 분산형 BIPV발전을 도입한다면 에너지 고민 없이 지역사회발전이 가능할 것으로 보이며 도심에 BIPV를 적용한다면 이산화탄소 절감 및 미세먼지 절감과 전력인프라 관련 사회문제를 완화할 수 있다.
	P1, P2, P3 공정의 장단점은 무엇인가?	기존의 유리기판을 이용한 CIGS 박막 태양전지는 레이져 스크라이빙 방법과 메커니컬스크라이빙 방법을 이용하여 P1, P2, P3 공정을 진행하고 있다. 이러한 공정은 제조 폭이 넓은 유리 기판에서 제조된 CIGS 태양전지의 경우 모듈화가 용이하지만 STS 기판과 같이 폭이 좁은 태양전지를 제조하는 공정에서는 패터닝이 쉽지 않아 공정 단가가 증가하고 생산수율이 감소한다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 현재 STS 기판을 이용하여 상용화 중에 있는 GSE와 Miasole과 같은 기업은 이미 하기와 같은 Zero White Spacing (ZWS) 방식을 이용하여 모듈을 제작 중에 있으며, 이러한 ZWS 모듈 제작 공정은 현재 GSE와 Miasole 두 기업만 사용하고 있으며 국내에서는 실리콘 태양전지에 적용되고 있는 시점으로 플렉서블 CIGS 박막 태양전지의 상용화를 위해서는 반드시 개발되어야 하는 필수 기술이라고 판단된다.

참고문헌 (22)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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